Modélisation et caractérisation de matériaux actifs pour la conception de dispositifs magnéto-électriques

Modelling and characterization of smart materials for the design of magneto-electric devices

• Auteur / Autrice : Nicolas Galopin
• Direction : Frédéric Bouillault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Génie électrique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Magnétoélasticité

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Couplage magnéto-élastique

Couplage magnéto-électrique

Plateforme de caractérisation

Lois de comportement

Structures composites magnéto-électriques

Résumé

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale et la modélisation de matériaux à magnétostriction géante et sur leur association avec des matériaux piézoélectriques. Dans un premier temps, une plateforme de caractérisation dédiée à l’étude du couplage magnéto-mécanique a été réalisée. Cette plateforme permet la création dans un échantillon ferromagnétique massif d’une zone homogène de sollicitations magnétique et mécanique. Une instrumentation adaptée mesure la réponse magnéto-mécanique de l’échantillon à ces sollicitations. Cette plateforme a été utilisée pour caractériser le comportement d’échantillons de Terfenol-D, un matériau à magnétostriction géante. Les résultats montrent notamment la très forte influence de la contrainte appliquée sur le comportement magnétique et sur la déformation de magnétostriction du matériau. Dans un second temps, un modèle de couplage magnéto-élastique, s’appuyant sur la définition de coefficients de couplage thermodynamique, est proposé pour décrire le comportement anhystérétique du Terfenol-D. La résolution numérique de problèmes magnéto-élastique et électro-élastique est basée sur la discrétisation par la méthode des éléments finis de formulations établies par minimisation d’une fonctionnelle d’énergie. La résolution couplée des deux problèmes conduit à l’étude de l’effet magnéto-électrique. Quelques applications sont enfin abordées, notamment celle de structures composites magnéto-électriques associant des couches magnétostrictives à des couches piézoélectriques. L’étude de ces structures composites met en avant l’intérêt d’une telle associant de matériaux actifs.

This study deals with the experimental characterisation and the modelling of giant magnetostrictive materials and on their association with piezoelectric materials. An experimental benchmark dedicated to the survey of magneto-mechanic coupling has been achieved. This platform allows the creation in a bulk ferromagnetic sample of a homogeneous area of magnetic and mechanical sollicitations. An adapted instrumentation measures the magneto-mechanic response of the sample to these sollicitations. This experimental benchmark has been used to characterise the behaviour of Terfenol-D samples, a giant magnetostrictive material. In particular, gotten results show the very strong influence of the applied stress on the magnetic behaviour and on the magnetostriction strain of the material. A model of magneto-elastic coupling, based on the definition of thermodynamic coupling coefficients, is proposed to describe the anhysteretic behaviour of the Terfenol-D. The numerical resolution of magneto-elastic and electro-elastic problem is based on the discretisation by the finite element method of formulation establish by minimisation of a functional energy. Coupled resolution of the two problems leads to the study of the magneto-electric effect. Some applications are finally studied, especially magneto-electric composite structures associating magnetostrictive layers to piezoelectric layers. The survey of these composite structures shows the interest of such association of active materials.